Die Hüterin der Genauigkeit

Kalibrierung - Die Absolutgenauigkeit von Industrierobotern ist für bestimmte Aufgaben oft unzureichend. Ebenso waren es bisher die Systeme zur Vermessung verschiedener Robotertypen. Die Lösung bringen soll jetzt Rosy. Wer oder was steckt dahinter?

20. Juli 2006

Eine zentrale Forderung im Zeitalter der digitalen Abbildung und Planung von Produkten, Prozessen und Ressourcen ist eine möglichst hohe Übereinstimmung von Simulation und Realität. Zu Abweichungen kommt es immer wieder speziell bei der Offline-Programmierung von Industrierobotern, da deren Positioniergenauigkeit für bestimmte Anwendungen oft unzureichend ist. Die nachträgliche Behebung dieser Probleme ist in der Regel sehr zeit- und kostenintensiv. Dagegen lassen sich auftretende Ungenauigkeiten durch die vorherige Kalibrierung von Roboter, Werkzeug und Werkstück minimieren. Zudem verbessert dieses Vorgehen auch die Prozesssicherheit. Die internationale Norm ISO 9283 legt verschiedene Leistungskriterien für Industrieroboter fest und schlägt Prüfverfahren zu deren Ermittlung vor. Die wichtigsten Kenngrößen sind Absolut- und Wiederholgenauigkeit. Letztere ist vor allem beim Anlernen des Roboters („Teach-In“) entscheidend.

Einflussfaktoren und Möglichkeiten

Wenn das Bewegungsprogramm per 3D-Simulation erstellt wird, ist auch die Absolutgenauigkeit von Bedeutung. Sie wird durch verschiedene Faktoren negativ beeinflusst; dabei sind Achsnulllagen sowie Längen- und Winkelfehler zwischen den einzelnen Robotergliedern von größter Relevanz.

Es existieren viele verschiedene Möglichkeiten der Positionsmessung bei Industrierobotern, zum Beispiel das Anfahren von Musterwerkstücken, die Verwendung von Ultraschallsensoren, Theodoliten, Messtastern, Laserinterferometrie oder Lasertriangulation. Außerdem gibt es kompakte Kamerasysteme, die in der Roboterzelle oder am Industrieroboter selbst angebracht sein können und die Position eines Referenzobjektes beziehungsweise deren Abweichungen zur Solllage erfassen. Die eigentliche Kalibrierung erfolgt dann über die Berechnung des realen kinematischen Modells des Roboters mit Hilfe numerischer Optimierungsverfahren.

Nachteile traditioneller Methoden

Bisherige Verfahren zur Vermessung von Industrierobotern haben verschiedene Nachteile, wie mangelnde Portabilität durch Größe und Gewicht bei Lasertrackern, hohe Systemkosten durch teure Komponenten in externen, hoch auflösenden Kameras oder eine Beschränkung auf wenige Robotertypen. Auch war die Vermessung von Roboter, Werkzeug und Werkstück mit dem gleichen Messmittel bisher nur eingeschränkt möglich. Ultraschallsensoren und die Lasertriangulation wiederum haben eine unzureichende Messauflösung, Theodoliten sind aufwendig zu bedienen und schlecht automatisierbar.

Auf Grund dieser Nachteile ergab sich die Notwendigkeit, ein Messsystem für Roboter, TCP- und Bauteillage zu entwickeln, das eine hohe Auflösung und Genauigkeit bietet, klein, leicht und portabel ist, schnelle Messungen ermöglicht sowie einfach zu bedienen. Außerdem sollte das System für beliebige Robotertypen mit unterschiedlichen Steuerungen kompatibel sein, was einen Verzicht auf einen steuerungsspezifischen

Datentransfer bedingte.

Auf Basis dieser Anforderungen entstand ein Messsystem, welches zur exakten Ermittlung der Bauteillage direkt am Roboterflansch angebracht werden kann. Wegen des Wunsches nach einer berührungslosen Messung und einer Auflösung unter einem hundertstel Millimeter kam letztendlich nur ein videometrisches Verfahren in Frage. Dies erforderte die Verwendung sehr kleiner, aber dennoch optisch guter Kameras mit entsprechender Beleuchtung.

Ergebnis vieler Berechnungen und Versuche war schließlich das kamerabasierte Mess- und Kalibriersystem Rosy (Robot Optimization System), welches die Steigerung der Absolutgenauigkeit von Knickarmrobotern bis an den Bereich der Wiederholgenauigkeit ermöglicht. Dazu wird mit dem Roboter die Position einer feststehenden Kalibrierkugel mittels zweier CCD-Kameras in drei Koordinaten vermessen. Die zugehörige Software errechnet aus den gemessenen Abweichungen die kinematischen Fehler (Längen und Winkel) für die einzelnen Gelenkachsen des Industrieroboters.

In einer Stunde zum Ergebnis

Danach werden Korrekturfaktoren ermittelt und die Steuerungsparameter entsprechend geändert. Das gesamte Verfahren kann von eingewiesenen Facharbeitern oder externen Dienstleistern einfach durchgeführt - Dauer: weniger als eine Stunde. Das System kann bei Bedarf den Arbeitspunkt eines Roboterwerkzeuges vermessen oder es benutzt den kalibrierten Roboter als Messmaschine, um ein Offline-Programm an die Zelle anzupassen.

Auf diese Weise kann die Arbeitsgenauigkeit auf wenige zehntel Millimeter verbessert werden, um Roboter austauschbar zu machen, ihnen neue Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen oder aufwändige Sensorik einzusparen. Außerdem können so Prozesssicherheit und Qualität erheblich gesteigert werden. Die absolute Positioniergenauigkeit von Robotern schwankt je nach Hersteller, Alter und Beanspruchung zwischen wenigen zehntel und mehreren Millimetern. Durch Kalibrierung erreicht Rosy eine Positioniergenauigkeit zwischen 0,1 und 0,3 Millimeter.

In der Industrie besteht zurzeit ein allgemeiner Trend zur Substitution von Werkzeug- oder Spezialmaschinen durch kalibrierte Industrieroboter für bestimmte Fertigungsaufgaben. Eine aktuelle Applikation ist die Inline-Messtechnik im Automobilbau. Weitere Beispiele sind das robotergestützte Rollfalzen im Karosseriebau, die Montage von Mobiltelefonen, das Bohren und Nieten im Flugzeugbau, das Wasserstrahlschneiden, verschiedene Fräsanwendungen sowie die Medizintechnik.

Dr. Lukas Beyer, Teconsult

FAKTEN

• Rosy steht für „Robot Optimization System“ und ist ein kamerabasiertes Mess- und Kalibriersystem für Knickarmroboter.

• Rosy verbessert die Arbeitsgenauigkeit auf wenige zehntel Millimeter.

• Rosy vermisst mit einer Kalibrierkugel und zwei CCD-Kameras die Koordinaten und errechnet daraus die kinematischen Fehler der Gelenkachsen.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006